Химия окружающей среды

1. Летучие органические соединения, воздействие их на экосистемы, растения, животных человека.

Летучее органическое соединение (ЛОС) - химические вещества, чья начальная  точка кипения, измеренная при стандартном  давлении 101,3 кПа, ниже или равна 250°С.

Содержание летучих органических соединений это масса ЛОС, выраженная в граммах на литр (г/л) в описании состава химических продуктов. Масса летучих органических соединений в данном продукте, подверженных химической реакции при сушении для образования поверхностного покрытия, не считается частью содержания ЛОС.

Органические растворители это  летучие органические соединения, используемые самостоятельно или в совокупности с другими химическими реактивами для растворения или разбавления  материалов, красок или отходов, или используемое в качестве чистящего вещества при растворении загрязняющих веществ, или как корректор вязкости, или как дисперсионная среда, или корректор поверхностного напряжения, консервант или пластификатор.

Употребление термина "летучие  органические соединения" в последнее время связано с ратификацией и ДИРЕКТИВЫ 2004/42/ЕС ЕВРОПЕЙСКОГО ПАРЛАМЕНТА И СОВЕТА ЕВРОПЫ о снижении эмиссий летучих органических соединений, причиной которых является применение органических растворителей в некоторых красках и лаках, а также в веществах для перекрашивания транспортных средств.

В качестве летучих компонентов (пропеллентов) в аэрозольных упаковках широко применяются фторхлоруглеводороды (фреоны). Для этих целей использовалось около 85% фреонов и только 15% - в холодильных установках и установках искусственного климата. Специфика использования фреонов такова, что 95% их количества попадает в атмосферу через 1-2 года после производства. Считают, что почти все произведенное количество фтортрихлор- и дифтордихлорметана (5,27 млн т и 7,75 млн т соответственно в 1981 году) рано или поздно должно поступить в стратосферу и включиться в каталитический цикл разрушения озона.

В выбросах вентиляционных систем жилых  домов идентифицировано более 40 токсичных  и дурнопахнущих веществ: меркаптанов и сульфидов, аминов, спиртов, предельных и диеновых углеводородов, альдегидов и некоторых гетероциклических соединений. При сжигании в горелке кухонной плиты 1 м³ природного газа образуется до 150 мг формальдегида, а в сумме в продуктах горения газа обнаружено 22 различных компонента.

Источниками одорантов служат сооружения по очистке сточных вод и свалки твердых отходов. Сточные воды содержат до 0,025% органических веществ. После  отстаивания и первичной обработки  вода направляется в установки бактериальной деградации органических компонентов. Очистка, продолжающаяся около недели, сопровождается выделением одорантов, прежде всего серо- и азотсодержащих производных. Из минеральных компонентов сточных вод, в том числе солей тяжелых металлов, при микробиологическом метилировании образуются опасные летучие органические токсиканты, такие, как метил- и диметилртуть (СН₃НgСН₃ и CH₃HgCl), тетраметилсвинец (CH₃)₄Pb, диметилселен (CH₃)₂Se.

Высокой биологической активностью  обладает еще один из компонентов летучих органических соединений (ЛОС) - этилен. Исследования показали влияние этилена на скорость созревания плодов, а также на опадение листьев. Это позволило назвать этилен гормоном созревания. В результате его действия на некоторые клеточные структуры происходят снижение интенсивности обменных процессов, замедление роста, опадение листвы и переход растения в состояние покоя. Полагают, что этилен продуцируется всеми наземными лиственными растениями. Недостаточно изучен биосинтез и осмыслена биологическая роль других выделяемых растениями легких углеводородов, гомологов метана и этилена. Установлено, что этан, пропан, бутан и пентан - продукты окисления ненасыщенных жирных кислот, входящих в состав липидов клеточных мембран. Опыты на растениях и отдельных элементах растительных клеток говорят о малой биологической активности этана и пропилена, еще менее выраженной у их высших гомологов. Так же обстоит дело с проблемой выделения низших спиртов. Экзогенные защитные функции низших алифатических спиртов едва ли значимы: при тех концентрациях, которые способны создать растения, метанол и этанол проявляют слабый эффект в качестве бактерицидных и фунгицидных агентов. Сильное токсическое действие на производящие их органеллы оказывают низшие карбонильные соединения. Как и спирты, они изменяют проницаемость клеточных мембран и ингибируют метаболизм. Карбонильные соединения, особенно низшие альдегиды (формальдегид и ацетальдегид), проявляют фунгицидные свойства уже при малых концентрациях.

Действие ЛОС может быть направлено не только против микроорганизмов, но и против высших растений других видов. В этом случае они выступают чаще всего в качестве химических ингибиторов, подавляющих прорастание семян растений-конкурентов. Эти вещества называют колинами. Яркий пример такого рода взаимодействия - распределение растительности в зарослях жестколиственных кустарников (чапарраля) в горах Калифорнии. Листвой входящих в состав чапарраля растений в атмосферу выделяется большое количество летучих соединений, оказывающих ингибирующее действие на другие виды.

Часть выделяемых в атмосферу соединений участвует и во взаимодействиях  растений с животными. Они служат для привлечения насекомых-опылителей (аттрактанты) и отпугивания вредителей (репелленты). Например, a-пинен является аттрактантом жуков-лубоедов. Такую же роль для насекомых-опылителей многих видов орхидных выполняют терпены 3-цинеол и эвгенол. В то же время a- и b-пинены выступают как репелленты жука короеда, а ментол - тутового шелкопряда. Таким образом, накопленные в мировой литературе данные позволяют предполагать, что ЛОС, выделяемые растениями в атмосферу, являются важным фактором формирования биоценозов.

Важна роль ЛОС в терморегуляции растений. Многие компоненты, особенно интенсивно выделяемые в атмосферу  в жаркую погоду (например, терпены), обладают высокой теплотой испарения, и поэтому их выделение сопровождается отводом большого количества тепла от тканей и предохраняет растения от перегрева.

Важна роль ЛОС в глобальных геофизических  процессах. Прежде всего речь идет об окислении некоторых фитогенных органических соединений, что приводит к образованию атмосферных аэрозолей. В частности, голубоватую дымку над хвойными лесами, наблюдающуюся в летнее время на склонах Скалистых гор на западе США, связывают именно с этим процессом. Инициируемое озоном и радикалами гомогенное газофазное окисление терпенов имеет сложный механизм и приводит к образованию кислородсодержащих соединений (СО, альдегидов, кетонов, кислот). Поток токсичного СО за счет окисления терпенов оценивают величиной 222 млн т/год. Суммарный же поток монооксида углерода при окислении биогенных неметановых углеводородов составляет 560 млн т/год. Образование при окислении ЛОС больших количеств низших карбоновых кислот сказывается на кислотности атмосферных осадков. Например, дождевая вода в лесном районе Австралии имела рН 4-5, что было вызвано присутствием НСООН и СН₃СООН (такие же данные получены для незагрязненных районов в бассейне Амазонки).

Важный аспект воздействия ЛОС  связан с процессами удаления и образования озона. В незагрязненной атмосфере озон может вступать в реакции с фитогенными олефинами и, таким образом, как бы нейтрализоваться. Это важно, так как озон относится к сильнейшим фитотоксикантам и мутагенам. Напротив, в период повышенной фотохимической активности концентрация озона в городском шлейфе увеличивается за счет взаимодействия техногенных оксидов азота с чрезвычайно реакционноспособными фитогенными непредельными углеводородами. Обработка данных наблюдений в обсерватории Монсур во Франции (1876-1910 годы) и на севере Италии (1868-1893 годы) свидетельствует о более чем двукратном возрастании средних концентраций О₃ в конце 80-х годов по сравнению с концом XIX века.

Значимый негативный эффект оказывают  некоторые другие продукты газофазного  окисления фитогенных ЛОС. В частности, под пологом леса идет образование гидропероксидных компонентов: пероксида водорода H₂O₂ и алкилпероксидов (ROOH). По наблюдениям в сосновом лесу в Швеции, максимальное содержание пероксида водорода приходилось на дневные часы. Естественные и культивируемые насаждения сильно страдают в результате образования таких фитотоксикантов. В последние годы все большее внимание исследователей привлекает новый тип поражения лесной растительности в Центральной и Восточной Европе - так называемый Waldschadensyndrome, проявляющийся в пожелтении и преждевременном опадении хвои и дефиците магния в листве.

Земная кора содержит различные  газы в свободном состоянии, сорбированные  разными породами и растворенные в воде. Часть этих газов по глубинным разломам и трещинам достигает поверхности Земли и диффундирует в атмосферу. О существовании углеводородного дыхания земной коры говорит повышенное (иногда в 3 раза) по сравнению с глобальным фоновым содержание метана в приземном слое воздуха над нефтегазоносными бассейнами.

Можно предположить, что дегазация  недр планеты происходит по всей ее поверхности, но наиболее интенсивно по бесчисленным разломам коры. В связи  с этим большой интерес представляет изучение спонтанных газов гидротермальных  источников в районах сейсмической активности. В результате таких исследований в пробах газов было идентифицировано более 60 неорганических и органических соединений. Последние представлены углеводородами, легколетучими карбонильными соединениями и спиртами, галогенуглеводородами.

Впервые полученные данные о присутствии  в геологических выделениях летучих  галогенуглеводородов представляют наибольший интерес. Они показывают, что концентрации СFС1₃ и CF₂Cl₂ в вулканических газах в 2,5-15 раз больше их содержания в морском воздухе. Для хлороформа и CCl₄ эта разница достигала 1,5-2 порядков величины. К сожалению, пока еще отсутствуют надежные данные об общих масштабах геологической эмиссии галогеноуглеродов, равно как и других ЛОС, включая метан.

Выживаемость любой популяции, в конечном счете, зависит от ее генетического разнообразия. Существование различий между отдельными представителями популяции дает возможность приспособиться к изменениям, происходящим в окружающей среде, и тем самым обеспечить выживание вида. С течением времени наиболее приспосабливающиеся экземпляры и виды становятся доминирующими, и могут рассматриваться в качестве стабильных компонентов экосистемы.

Генетическое разнообразие популяции  служит причиной того, что изменения  окружающей среды приводят к возникновению преимуществ одних экземпляров перед другими. В условиях стресса, вызванного очень сильным загрязнением воздуха, могут погибнуть все растения, однако такие явления наблюдаются исключительно редко.

В тех случаях, когда семенная популяция  выработала определенную устойчивость к действию загрязнителей, из семян вырастает новое поколение растений. Однако развитие органов, ответственных за половое размножение, может быть нарушено из-за присутствия в атмосфере высоких концентраций SO₂. Вследствие этого большими преимуществами обладают растения, размножающиеся неполовым путем, например за счет подземных столонов, корневых или ползучих побегов. Таким образом, клоны, то есть вегетативное потомство устойчивых экземпляров, могут селиться и размножаться в районах с высоким уровнем загрязнения. Загрязняющие вещества, образующиеся в результате фотохимических процессов, также оказывают воздействие на лесные экосистемы. Наблюдается гибель наиболее чувствительных экземпляров, хлороз и преждевременное опадание листвы.

2.2 Воздействие оксида  углерода на человека

Оксид углерода, или угарный  газ, - очень ядовитый газ без цвета, запаха и вкуса. Он образуется при  неполном сгорании древесины, ископаемого  топлива и табака, при сжигании твердых отходов и частичном  анаэробном разложении органики. Примерно 50% угарного газа образуется в связи с деятельностью человека, в основном в результате работы двигателей внутреннего сгорания автомобилей. В закрытом помещении (например, в гараже), наполненном угарным газом, снижается способность гемоглобина эритроцитов переносить кислород, из-за чего у человека замедляются реакции, ослабляется восприятие, появляются головная боль, сонливость, тошнота. Под воздействием большого количества угарного газа может произойти обморок, случиться кома и даже наступить смерть.

Угарный газ, или оксид  углерода, смертельно опасен в больших  дозах, но небольшое его количество предотвращает отторжение донорских  органов. Ученые использовали газ в  водорастворимой форме для поддержания  жизни органов и снижения риска их отторжения.

В подложечной области, в суставах, невралгические боли, потливость, учащенные позывы к мочеиспусканию, иногда - обморочное состояние после работы. Отмечаются стойкий ярко-красный дермографизм, дрожание конечностей, экстрапирамидные расстройства - нарушение координации движений, прыгающая походка, понижение или усиление сухожильных рефлексов (Ре1гу), тремор пальцев вытянутых рук, лабиринтные нарушения, нистагм при поворотах головы и вращении тела, расстройства кожной чувствительности, вялость или полное отсутствие зрачковых реакций, невриты и полиневриты. Возможны расстройства речи, Невралгии, в тяжелых случаях -- парезы, в частности лицевого нерва (маскообразное лицо), энцефалопатии, психозы (деменции, шизофреноподобные состояния и др.), апоплектиформные и эпилептиформные судорожные припадки. Иногда картина расстройства центральной нервной" системы напоминает паркинсонизм. Могут быть церебро-сосудистые и диэнцефальные кризы, усиленная потливость кистей рук, акроцианоз, трофические расстройства кожи, крапивница, иногда преждевременное поседение и выпадение волос.

При хронических отравлениях  наблюдаются более тяжелые заболевания  Сердечно-сосудистой системы, чем при  острых, особенно у лиц, занимающихся физическим трудом. Отмечаются аритмия, учащение пульса, экстрасистолия, неустойчивость пульса и кровяного давления со склонностью к снижению последнего (но изредка может развиться гипертоническая болезнь, стенокардические явления).

На ЭКГ- нарушения атриовентрикулярной и внутрижелудочковой проводимости. Возможны инфаркты миокарда. Поражения сердца обычно выявляются через 1-1,5 года после отравления, иногда уже после прекращения контакта с СО. Наблюдаются также повышение проницаемости капилляров в разных органах, повреждения эндотелия и тромбозы коронарных сосудов.